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1、电感式传感器,互感式传感器,电感式传感器,被测量 自感L(互感M) Uo（Io）,电感式传感器的工作基础：电磁感应,利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量,电感式传感器,优点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好,缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。,2. 微压力变送器,F,220V,实验：,3.1 自感式传感器,气隙变小，电感变大，电流变小,F,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1
2、.6 自感式传感器应用举例,3.1.1 工作原理,线圈自感,线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；W线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型 b)截面型 c)螺管型自感式传感器原理图,l i 各段导磁体的长度；U i各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积； 空气隙的厚度；U0 真空磁导率S 空气隙截面积,变气隙型传感器变截面型传感器,线圈中放入圆形衔铁 可变自感 螺管型传感器。,3.1.1 工作原理,当匝数为N的线圈通以电流I产生磁通链为 。磁通链与线圈电流之比称为自感系数，简称电感L 式中： 为穿过每匝线圈的磁通。 根据磁路的欧姆定律式中： 为磁路的总磁
3、阻。由式（1）、式（2）可得：,1 工作原理,（1）,（2）,（3）,3.1.1 工作原理,要将被测非电量的变化转化为自感的变化，在线圈形状不变的情况下可以通过改变线圈匝数使得线圈的自感系数产生改变，相应地就可制成线圈匝数变化型自感式传感器。要将被测量的变化转变为使线圈匝数变化是很不方便的，实际极少用。当线圈的匝数一定时，被测量可以通过改变磁路的磁阻的变化来改变自感系数。因此这类传感器又称为可变磁阻型自感式传感器。,1 工作原理,3.1.1 工作原理,根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为：气隙厚度变化型气隙面积变化型螺管型三种类型,1 工作原理,目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器,3
4、.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,1 工作原理： 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。,变隙自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,电感量L：,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,i铁芯、衔铁材料第i段的导磁率；i铁芯磁路第i段的长度；空气隙的总长度； Si铁芯、衔铁第i段的截面积；S0气隙的截面积；0空气的导磁率; 0=410-7H/m。,磁路总磁阻：,（3）
5、,（4）,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,通常气隙的磁阻比铁芯的磁阻大得多，铁芯磁阻可忽略不计。,线圈的电感为：,（5）,（6）,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或S0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积S0的传感器。,（6）,3.1.2 变气隙式自感传感器,在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电
6、感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。,1 工作原理,图1 变隙自感式传感器,(1)变隙式自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,（6）,输出特性：L与之间是非线性关系， 特性曲线如图2所示。,图2 变隙式电压传感器的L-特性,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,（7）,当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0， 则此时输出电感为,（8）,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,当/01时（台劳级数）：,（9）,可求得电感增量L和相对增量L/L
7、0的表达式，即,(10),(11),同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有,（12）,（13）,对式（11）、（13）作线性处理，即忽略高次项后，可得,（14）,灵敏度为：,可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。,（15）,与线性度,衔铁上移：,衔铁下移：,无论上移或下移，非线性都将增大。,图3 差动变隙式电感传感器,为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,衔铁上移：两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（10）及式（12）表示
8、， 差动传感器电感的总变化量L=L1+L2, 具体表达式为：,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,对上式进行线性处理, 即忽略高次项得,（16）,（17）,灵敏度K0为,比较单线圈式和差动式： ： 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器
9、3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,当固定，改变气隙导磁面积S0，自感L与S0成线性关系。如图4所 示为气隙面积变化型自感传感器。,3.1.3 变面积式自感传感器,1 工作原理,(2)气隙面积变化型自感传感器,传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为,灵敏度,变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。,3.1.3 变面积式自感传感器,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变
10、气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,螺管型自感传感器是在螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动衔铁在线圈中运动时，使磁阻发生变化，从而使自感变化。在实际应用中，该类传感器通常也采用差动的结构（如图5所示）。将铁芯置于两个线圈的中间，当铁芯移动时，两个线圈的电感产生相反方向的增减，然后利用电桥将两个电感接入电桥的相邻的桥臂，以获得比单个工作方式更高的灵敏度和更好的线性度。,1 工作原理,(3)螺管型自感传感器,3.1.4 螺线管式自感传感器,下图是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传
11、感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,图 差动式自感传感器1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆,（a） 变气隙型,（b） 变面积型,（c） 螺管型,3.1.4 螺线管式自感传感器,1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小,根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为,两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式
12、自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.5 自感式传感器测量电路,1. 调幅电路2. 调频电路 3. 调相电路 4. 自感传感器的灵敏度,1.调幅电路,(1) 变压器电路,输出空载电压,初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0衔铁偏离中间零点时,使用元件少，输出阻抗小, 获得广泛应用,变压器式交流电桥,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压,当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有 ， 电桥平衡。,（
13、18）,当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ，,(19),当传感器衔铁下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此时,(20),可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于 是交流电压， 输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。,传感器衔铁移动方向相反时,空载输出电压,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决,(2) 相敏检波电路,当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+Z增加，则Z2=Z-Z减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降；当
14、u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负。,(2) 相敏检波电路,当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z-Z减少，则Z2=Z+Z增加。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降；当u上端为负，下端为正时， R1上压降则小于R2 上的压降，电压表V输出下端为正，上端为负。,非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路,使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，,(3) 谐振式调幅电路,电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。,2.调频电路,
15、传感器自感变化将引起输出电压频率的变化,灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合,3.调相电路,传感器电感变化将引起输出电压相位变化,4.自感传感器的灵敏度,传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度,总灵敏度,第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小,气隙型、变压器电桥 传感器,传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.6 自感式传感器应用举例,
